卫星导航系统在进近着陆中的应用研究

    韩永乐 唐文君

    摘 要：近些年来卫星导航定位系统应用已经普及，例如美国的GPS，俄罗斯的GLONASS，以及我国的北斗，这些导航定位系统应用于陆路、航空、航海各个领域，但在飞机进场着陆方面，卫星导航定位系统却并没有广泛应用。本文通过对卫星导航系统存在的问题进行分析，提出解决办法，并对可行性及关键点进行研究。

    关键词：进场着陆；GPS；卫星导航定位系统

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.158

    1 引言

    卫星导航定位系统，以GPS系统为例，具有全天候、覆盖范围广、精度高等优点，将其应用在飞机进场着陆完全具有达到二三类着陆、实现完美盲降、提高试飞安全的能力。本文通过分析差分定位技术和伪卫星增强技术的结合，对将卫星导航定位技术应用于进场着陆进行可行性研究。采取差分GPS定位算法，載波相位观测量可以有效的提高定位精度，完全或大部分消除公共误差，也可以消除大气层的干扰进一步提高精度，最后通过伪卫星站的建立提高垂直定位精度，优化解算图形，提高精确定位能力，确保飞机着陆时接收到完整、精确的信号。

    2 卫星导航系统与进场着陆

    由于以GPS定位系统为代表的卫星导航系统可以实现动态定位，在连续性和可用性上具有极大的开发应用价值，但其精度距离进场着陆精度要求还有差距，制约着卫星导航系统在进场着陆中应用的主要原因就是精度无法满足需求。国内外专家通过采取各种技术提高GPS等卫星导航定位的精度，例如差分GPS技术、伪卫星增强技术等。本文通过分析可行性方案来构建一个完整的进场着陆系统模型。为卫星导航系统在着陆上的应用和为我国“北斗二号”将来的应用提供设想。

    3 差分定位技术

    差分GPS定位技术，通常而言是指将两台GPS接收机安置在同一条基线上，用两台接收机同时观测同一组卫星，同时采集GPS卫星导航数据。相比较单点观测得到的绝对坐标，差分观测技术得到的是两端点在基线上的相对位置，在一个接收机位置已知的条件下，可以较为精确的得到另一个接收机的位置。

    尤其是在机场环境相对固定，在空域内的导航特别适用。在机场设定一个或多个固定的GPS接收机，这些接收机所处位置信息精度极高、位置精确，进场飞机的GPS接收机与其构成了多条基线上的两个端点，通过空间建模的形式，将这些基线数字化，并转换成平面图上的坐标系，利用机场已知GPS接收机坐标可以求解空中飞机的实时坐标信息得到飞机的位置参数、速度参数。

    4 伪卫星增强卫星导航技术

    所谓伪卫星增强技术，是指在地表一定高度上建立一个卫星信号发射站，所发射的卫星信号符合GPS系统的信号编码规则，采用的导航电文格式也基本一致，可以被GPS接收机识别并读取信息。由于GPS信号编码规则已经公开，因此通过信号的调制技术，完全可以实现在地面建立一个“卫星”，将此颗“卫星”加入到卫星群中，不但增加了卫星解算数量，也改善了卫星图形，减少了卫星信号丢失率，在垂直精度方面增强效果显著，理论上可以达到二三类着陆的精度标准。提升整个着陆系统的可用性、稳定性、可靠性以及测量精度。

    5 差分GPS技术与伪卫星增强技术的结合

    5.1 卫星着陆系统结构

    利用伪卫星和差分定位技术结合后，形成了星间站间双差系统，通过相同站观测不同卫星和不同站观测相同卫星，得到数组参数方程，伪卫星时钟误差、大气层折射误差被明显的消弱了，这是构建伪卫星增强系统的一个关键因素，因为如果需要采取与空间卫星同样的铯原子钟，造价成本高，这样的差分方式对于伪卫星的晶振要求降低了，也就是降低了成本。消弱了大气层折射误差，是提高垂直定位精度的关键，为进场着陆系统的连续性和高精度提供保障。

    5.2 伪卫星增强GPS系统关键技术研究

    伪卫星技术想要融入GPS定位系统还需要解决一些关键技术，本文选择最关键的两点进行讨论，分别是远近效应和多路径效应。

    5.2.1 远近效应

    远近效应是指GPS卫星信号到达地面时已经相当微弱，非常容易受到同频点的干扰。而伪卫星则是放置在地面上的，距离接收机比较近，其信号如果太强将会致使无法正常接收、解调GPS卫星信号；另一方面，如果把伪卫星放置在距离接收机较远的位置，伪卫星的信号会变得太弱而无法被接收机所接收到。

    目前最可靠的办法可以采取：码分多址、频分多址和时分多址。原理大致相同，就是将信号的常规属性如频率、周期等进行变换，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混淆。

    5.2.2 多路径效应

    由于伪卫星的位置布设、信号强度、工作环境等均与GPS系统有所差别，它比GPS信号的多路径误差更强、更为复杂也更加难以消除，这是伪卫星技术数据处理阶段要考虑的重要因素，在动态环境中，由于接收机位置的不确定，多路径引起的误差很难加以估计或消除；但是对于伪卫星应用于形变监测类的静态定位中，由于伪卫星和接收机处于相对静止状态，其多路径误差会具有常量的特性，因而相对容易地在数据解算中通过一定的算法估计来削弱、甚至消除多路径误差。

    6 结束语

    随着星基导航系统的不断发展，精度的不断提升，将卫星导航系统应用于进场着陆是切实可行的，其突出的优点是精度高、范围广、服务量大，我国也开发了自主研发的“北斗”导航系统，将来必然成为国防事业的重点应用，通过本文的研究讨论，也是对北斗导航系统将来应用在国内飞机进场、摆脱GPS外国垄断的一种尝试。

    参考文献：

    [1]王晖辉.伪卫星增强GPS技术及应用研究[D].

    [2]陈高平，邓勇.《航空无线电导航原理》下册[M].国防工业出版社.

    [3]孟领坡.飞机进近着陆精密卫星导航关键技术研究[D].